Wie Fahrradbremsbeläge funktionieren: Die Wissenschaft hinter der Bremskraft

Haben Sie sich jemals gefragt, wie winzige Bremsbeläge an Ihrem Fahrrad einen Fahrer und sein Fahrrad so schnell zum Stehen bringen können?

Die meisten Menschen wissen, was Bremsbeläge bewirken – sie bringen das Fahrrad zum Stehen. Doch nur wenige verstehen, wie sie genau funktionieren. Hinter jedem sanften Bremsvorgang und jeder kontrollierten Abfahrt steckt eine Kombination aus Physik, Ingenieurskunst und intelligenter Materialwissenschaft!

Lasst uns die wissenschaftlichen Grundlagen von Bremsbelägen genauer betrachten und herausfinden, warum manche besser funktionieren als andere.

1. Die Grundlagen: Bewegung in Wärme umwandeln

Erinnert ihr euch an den Physikunterricht, wo wir gelernt haben, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann? Genau das passiert beim Bremsvorgang!

Wenn sich Ihr Fahrrad bewegt, besitzt es kinetische Energie – die Energie der Bewegung.

Die kinetische Energie kann wie folgt berechnet werden:

0,5 x Masse des Systems x Quadrat der Geschwindigkeit.

Wir sehen also, dass die gesamte kinetische Energie von zwei Variablen abhängt:

1) die Masse des Fahrers und des Fahrrads

2) die Geschwindigkeit (wie schnell du fährst).

Je größer die Masse des Systems und/oder je höher die Geschwindigkeit, desto größer die Energie. Die Geschwindigkeit hat jedoch einen enormen Einfluss auf die Gesamtenergie, da die kinetische Energie proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist.

Jedes Mal, wenn sich Ihre Geschwindigkeit verdoppelt, vervierfacht sich die gesamte kinetische Energie! Deshalb ist ein solides und zuverlässiges Bremsen auf langen Abfahrten mit dem Fahrrad unerlässlich !

Bei hydraulischen Scheibenbremsen, die heutzutage bei den meisten Fahrrädern allzu üblich sind, wird beim Betätigen der Bremshebel Bremsflüssigkeit nach vorne gedrückt:

1. Der Bremssattel, der die Bremsbeläge gegen die Bremsscheibe drückt.
2. Die Reibung zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe wandelt kinetische Energie in Wärmeenergie um, möglicherweise sogar in Schallenergie (quietschende Bremsen) 😖
3. Der Rotor und die ihn umgebende Luft leiten die Wärme ab.

Es handelt sich um einen präzisen Umwandlungsprozess: Bewegung (kinetische Energie) > Reibung > Wärme (thermische Energie) > Fahrrad kommt zum Stehen.

Zu geringe Reibung = schlechte Bremsleistung.

Zu viel Hitze führt zu Bremsfading, verglasten Bremsbelägen und sogar zu verzogenen Bremsscheiben!

Deshalb konzentriert sich die Entwicklung von Bremsbelägen auf die Kontrolle von Reibung und Wärme, nicht nur auf deren Erzeugung.

2. Reibung: Die Grundlage der Bremskraft

Bremsbeläge bringen Ihr Fahrrad durch zwei Arten von Reibung zum Stehen:

Adhäsionsreibung

Wenn der Bremsbelag gegen die rotierende Bremsscheibe drückt, entsteht durch Reibung und Hitze eine Schicht Bremsbelagmaterial auf der Scheibe . Diese sogenannte Transferschicht ist vergleichbar mit der Fahrbahnoberfläche bei einem Burnout oder Drift.

Diese Übertragungsschicht ist der Grund, warum es so wichtig ist , die Bremsscheiben richtig einzubremsen ! Jeder Radfahrer mit Scheibenbremsen kann bestätigen, wie schwach die Bremskraft von Scheibenbremsen anfangs ist, bis sie gut eingefahren sind.

Beim Bremsen verbindet sich diese Transferschicht kurzzeitig und bremst , wodurch das Fahrrad langsamer wird. Im Vergleich zu der anderen Art von Reibung, die wir behandeln werden – der abrasiven Reibung – ist diese Reibung wesentlich weniger zerstörerisch.

Abrasive Reibung

Das passiert, wenn die Bremsbelagoberfläche leicht an der Bremsscheibe reibt . Dabei wird jedes Mal eine winzige Materialschicht abgetragen, wodurch Energie in Wärme umgewandelt wird. Das führt zu schnellerem Verschleiß der Bremsbeläge und Beschädigungen der Bremsscheibe – aber das ist nun mal der Preis fürs Bremsen! Die Energie muss ja irgendwohin…

3. Hitze: Der verborgene Feind

Bei starkem Bremsen können die Temperaturen an der Kontaktfläche zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe bis zu 250 °C erreichen!

Beispiel:
Ein 75 kg schwerer Fahrer und ein 9 kg schweres Fahrrad, die mit 40 km/h fahren, besitzen eine kinetische Energie von etwa 5185 J. Bei einer Vollbremsung von 40 km/h bis zum Stillstand würden sich die beiden Bremsscheiben um ca. 47 °C erwärmen. Dies wurde mithilfe der grundlegenden Wärmeübertragungsgleichung berechnet.

Δ T =Q/( m × c) , Wo:

• $Q$ ist die thermische Energie (die kinetische Energie von 5185 J).
• $m$ ist die Masse des Rotors (angenommen 110 g), und
• $c$ ist die spezifische Wärmekapazität des Rotormaterials (angenommen, es handelt sich um Edelstahl).

Wir gehen außerdem davon aus, dass die Bremskraft schließlich auf zwei identische Rotoren verteilt wird und dass kein Wärmeaustausch zwischen dem Luft- und dem Rotorsystem stattfindet.

Ändern wir die Bedingungen und bremsen beispielsweise bei 50 km/h unter den gleichen Bedingungen wie zuvor, würden sich die einzelnen Bremsscheiben stattdessen um 88 °C erhitzen! Wohlgemerkt, die Umgebungstemperatur ist hierbei nicht berücksichtigt.

Wir können sehen, wie stark die Bremsscheiben und Bremsbeläge beansprucht werden, insbesondere bei langen und schnellen Abfahrten oder schwereren Systemen wie E-Bikes.

Selbstverständlich müssen Bremsbeläge und Bremsscheibe diese Wärme ordnungsgemäß abführen. Andernfalls treten Probleme auf:

• Bremsfading: Bei Überhitzung verliert das Bremsbelagmaterial an Reibung, was zu einem plötzlichen Abfall der Bremskraft führt. Aus diesem Grund statten Bremsbelaghersteller wie Shimano die Bremsbelagrückseite mit Kühlrippen aus.
• Glasur: Dies ist der Fall, wenn das Pad leicht schmilzt, aushärtet und glatt wird – wodurch die Griffigkeit nachlässt.
• Rotorverzug: Durch ungleichmäßige Wärmeausdehnung verbiegt sich der Rotor, was zu Pulsationen oder Reibung führt.

Wenn Sie schon einmal gesehen haben, dass sich Stahlrotoren gelb/braun/violett/blau verfärben, ist dies ein Zeichen dafür, dass der Stahl zu oxidieren begonnen hat, was auf Temperaturen weit über 200 °C hindeutet.

4. Die richtige Balance finden: Hitze, Traktion, Kontrolle

In der Praxis hängen die Bremsleistung eines Fahrrads maßgeblich von Reibung und Wärmeableitung ab. Doch genau wie bei Autos können auch Fahrradbremsen nicht unbegrenzt Bremskraft erzeugen oder extremen Temperaturen ewig standhalten.

Selbst die besten Bremsbeläge und Bremsscheiben haben ihre Grenzen. Werden sie zu stark beansprucht, überhitzen sie, verglasen oder verlieren an Bremskraft. Aber es gibt noch eine weitere Grenze: die Traktion .

Egal wie leistungsstark Ihre Bremsen sind, ihre Bremswirkung hängt maßgeblich von der Haftung Ihrer Reifen auf der Straße oder dem Untergrund ab . Übersteigt die Bremskraft die Haftung, geraten die Reifen ins Rutschen oder verlieren den Halt, was die Kontrolle verringert und den Bremsweg verlängert.

Deshalb geht es bei einem guten Bremssystem nicht nur um reine Bremskraft. Es geht um das richtige Verhältnis zwischen:

• Erzeugt genügend Reibung, um schnell und sicher anzuhalten
• Wärmeregulierung, damit die Bremsen eine gleichbleibende Leistung erbringen, und
• Die Kraftübertragung muss auf die Fähigkeit des Reifens abgestimmt sein, die Haftung aufrechtzuerhalten.

Aus konstruktiver Sicht dreht sich bei modernen Fahrradbremsen alles um diesen Kompromiss. Ziel ist es , maximale Bremsleistung zu erzielen, ohne dabei Kontrolle oder Stabilität einzubüßen – unabhängig von den Bedingungen: trockener Asphalt, loser Schotter oder nasse Abfahrten.

5. Bremsbelagmaterialien

Angesichts der vielfältigen Situationen, in denen man sich und sein Fahrrad wiederfinden kann, haben die Hersteller eine Auswahl an Bremsbelägen mit unterschiedlichen Mischungen entwickelt, wobei jeder Typ für eine bestimmte Fahrcharakteristik besser geeignet ist als der andere.

Bremsbelagmischungen können aus einer extrem breiten Palette von Verbindungen hergestellt werden, weshalb jeder Bremsbelaghersteller seine einzigartige Rezeptur hütet!

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6. Schlussbetrachtung

Beim Bremsen geht es nicht nur um Kraft – es geht um Kontrolle, Gleichmäßigkeit und Vertrauen . Hinter jedem sanften Bremsvorgang steckt ein Zusammenspiel von Physik und Materialdesign.

Ihre Bremsbeläge sorgen bei jeder Fahrt für die richtige Balance. Wenn es also Zeit für einen Wechsel ist, wählen Sie Beläge, die auf fundierter wissenschaftlicher Forschung basieren. Denn wenn es um Bremskraft geht, brauchen Sie Bremsen, auf die Sie sich verlassen können.

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Mit ❤️,
Tim